CN106283113A - 制备金属镁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制备金属镁的方法，包含下列步骤：提供包含有原料室、阳极室、阴极室、阳离子交换膜、阴离子交换膜、阴极及铁制阳极的离子膜电解系统，阴离子交换膜位于原料室与阳极室之间，阳离子交换膜位于原料室与阴极室之间，铁制阳极与阴极分别设在阳极室及阴极室中；将无水有机电解液、六水氯化镁水溶液及二氯化铁水溶液分别注入离子膜电解系统的阴极室、原料室及阳极室中；以及施加电解电压于铁制阳极与阴极之间，获得金属镁及浓缩的二氯化铁水溶液。由此，本发明的制备金属镁的方法兼具低能源与成本消耗及环境友善的优点。

Description

制备金属镁的方法
技术领域
本发明是关于一种湿式冶金法，特别是关于一种制备金属镁的方法。
背景技术
呈银白色的金属镁为一种轻质的结构材料，应用时经常与铝、锰、锌、稀土金属等制成合金，基于其具备重量轻、比强度(specific strength)高，易回收的特性，镁合金可被广泛应用于汽车零组件及携带式电子产品的外壳等方面。
现有技术制备金属镁的方法有熔盐电解法及硅铁热还原法。熔盐电解法是在约700℃的还原温度下，将融熔的无水氯化镁电解制得金属镁与氯气。硅铁热还原法是在真空还原罐内以白云石为原料，并以硅铁为还原剂，以约1200℃的还原温度，将白云石中的氧化镁还原为镁蒸汽，再通过冷凝器将镁蒸汽冷凝而制得金属镁。
然而，熔盐电解法每制备1千克的金属镁需要消耗约等效于20千瓦(kilowatt，kW)的能量，硅铁热还原法每制备1千克的金属镁需要消耗约等效于24千瓦的能量，且熔盐电解法及硅铁热还原法硅需通过相当高的还原温度才能制得金属镁，故利用熔盐电解法及硅铁热还原法生产金属镁需要消耗大量的能源及成本。
再者，以熔盐电解法制得金属镁的同时还会伴随大量氯气的产生，而以硅铁热还原法生产金属镁则会大量排放属于温室气体的二氧化碳，故现有技术以熔盐电解法及硅铁热还原法生产金属镁都会对环境造成污染。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种制备金属镁的方法，其兼具有低能源与成本消耗及环境友善的优点。
为了达到前述的发明目的，本发明所采取的技术手段是令所述制备金属镁的方法包含以下步骤：
提供离子膜电解系统，该离子膜电解系统包含有原料室、阳极室、阴极室、阳离子交换膜、阴离子交换膜、铁制阳极及阴极，该阴离子交换膜位于该原料室与该阳极室之间，该阳离子交换膜位于该原料室与该阴极室之间，该铁制阳极与该阴极分别设在该阳极室及该阴极室中；
将无水有机电解液、六水氯化镁水溶液及二氯化铁水溶液分别注入该阴极室、该原料室及该阳极室中；以及
施加电解电压于该铁制阳极与该阴极之间，获得金属镁及浓缩的二氯化铁水溶液。
在所述制备金属镁的方法中，该浓缩的二氯化铁水溶液中所含有的二氯化铁的量多于该二氯化铁水溶液所含有的二氯化铁的量。
在所述制备金属镁的方法中，所述铁制阳极是指一种至少含有99.95重量百分比(wt％)的铁的铁制阳极。优选的，所述铁制阳极的铁含量至少为99.98wt％。
在所述制备金属镁的方法中，优选的，所述铁制阳极含有碳及铁，以所述铁制阳极的总重量为基准，所述铁制阳极的碳含量介于0.02wt％至0.05wt％之间。
在所述制备金属镁的方法中，优选的，该离子膜电解系统的阴极由不锈钢(stainless steel)、玻璃碳(glassy carbon)或碳气凝胶(carbon aerogel)制成。
在所述制备金属镁的方法中，优选的，该无水有机电解液包含有溶剂、有机镁电解质及支持电解质，该溶剂包含选自于由乙醚(ethyl ether)、四氢呋喃(tetrahydrofuran)、2-甲基四氢呋喃(2-methyl tetrahydrofuran)及环戊甲基醚(cyclopentyl methyl ether)所构成的群组中的醚类化合物，该有机镁电解质包含选自于由甲基氯化镁(methylmagnesium chloride)、乙基氯化镁(ethyl magnesium chloride)、苯基氯化镁(phenylmagnesium chloride)、溴化烷氧基镁(alkoxy magnesium bromide)及氯化烷氧基镁(alkoxy magnesium chloride)所构成的群组中的镁有机化合物，该支持电解质包含氯化铝(aluminum chloride)或高氯酸锂(lithium perchlorate)。
更优选的，以该无水有机电解液的总量为基准，该有机镁电解质为0.8mol/L至2.0mol/L，且该支持电解质为0.10mol/L至0.20mol/L。再优选的，以该无水有机电解液的总量为基准，该有机镁电解质为1.0mol/L至1.5mol/L，且该支持电解质为0.12mol/L至0.15mol/L。
在所述制备金属镁的方法中，优选的，以该二氯化铁水溶液的总量为基准，该二氯化铁水溶液中所含有的二氯化铁为0.3mol/L至0.5mol/L。更优选的，以该二氯化铁水溶液的总量为基准，该二氯化铁水溶液中所含有的二氯化铁为0.4mol/L至0.5mol/L。
在所述制备金属镁的方法中，优选的，以该六水氯化镁水溶液的总量为基准，该六水氯化镁水溶液中所含有的六水氯化镁为0.3mol/L至0.5mol/L。
在所述制备金属镁的方法中，优选的，该阳离子交换膜可为全氟磺酸(perfluorosulfonic acid)阳离子交换膜，但并非仅限于此。
在所述制备金属镁的方法中，优选的，该阳离子交换膜上至少一面涂覆有镁离子可传导的固体聚合物电解质。
在所述制备金属镁的方法中，优选的，该阴离子交换膜为均相阴离子交换膜。
在所述制备金属镁的方法中，优选的，前述施加该电解电压于该铁制阳极与阴极之间，获得该金属镁及该浓缩的二氯化铁水溶液的步骤包含有：
在常压、20℃至25℃的工作温度下，施加10毫安/平方厘米至25毫安/平方厘米、2伏特至5伏特的电解电压于该纯铁制阳极与阴极之间，获得该金属镁及该浓缩的二氯化铁水溶液。
在所述制备金属镁的方法中，所述常压为1大气压(atm)。
基于上述发明内容，所述制备金属镁的方法仅需使用5.2千瓦以下的能量即能获得1千克的金属镁，因而达到节省金属镁的生产能源及成本的优点。且所述制备金属镁的方法在制得金属镁的同时是产出该浓缩的二氯化铁水溶液，而非产出大量的氯气或二氧化碳等不利环境的气体，除了降低对环境的危害以外，该浓缩的二氯化铁水溶液中的二氯化铁还能进一步被制为三氯化铁以供污水处理的絮凝剂之用。因此，所述制备金属镁的方法兼具低能源与成本消耗及环境友善的优点。
附图说明
图1为本发明制备金属镁的方法的流程图。
图2为本发明制备金属镁的方法所使用的离子膜电解系统的示意图。
符号说明：
S1、S2、S3 步骤
10 离子膜电解系统
11 腔体
111 原料室
112 阳极室
113 阴极室
12 阳离子交换膜
13 阴离子交换膜
14 铁制阳极
15 阴极
具体实施方式
以下，将通过下列具体实施例详细说明本发明的实施方式，所属技术领域的一般技术人员可经由本说明书的内容轻易地了解本发明所能达到的优点与功效，并且在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更，以实行或应用本发明的内容。
实施例
如图1所示，本实施例的制备金属镁的方法是由如下所述的步骤完成。
首先，请参考图2，如步骤S1所述，提供离子膜电解系统10。该离子膜电解系统10包含有腔体11、阳离子交换膜12、阴离子交换膜13、铁制阳极14及阴极15，该阳离子交换膜12为杜邦化学公司(DuPont Chemicals company)的全氟磺酸阳离子交换膜12，且该阳离子交换膜12上至少一面涂覆有镁离子可传导的固体聚合物电解质。该阳离子交换膜12及阴离子交换膜13将该腔体11的内部分隔为原料室111、阳极室112及阴极室113，该阴离子交换膜13位于原料室111与该阳极室112之间，该阳离子交换膜位12于原料室111与该阴极室113之间，且该阴离子交换膜13为杜邦化学公司(DuPont Chemicals company)的均相阴离子交换膜，该铁制阳极14与阴极15分别设在该阳极室112及阴极室113中。其中，该铁制阳极14包含有铁及碳，以该铁制阳极14的总重量为基准，该铁制阳极14的碳含量为0.02wt％，且该阴极15由不锈钢制成。
接着，如步骤S2所述，将无水有机电解液注入该阴极室113中，将六水氯化镁水溶液注入该原料室111中，并将该二氯化铁水溶液注入该阳极室112中。该无水有机电解液是由溶剂、有机镁电解质和支持电解质构成，该溶剂为四氢呋喃，该有机镁电解质为乙基氯化镁，该支持电解质为氯化铝，且该乙基氯化镁的用量为1.5mol，该氯化铝的用量为0.15mol，且该四氢呋喃的用量为1.0升(liter，L)。该二氯化铁水溶液包含有二氯化铁及水，且该二氯化铁水溶液中的二氯化铁的体积摩尔浓度为0.4mol/L。该六水氯化镁水溶液包含有六水氯化镁及水，该六水氯化镁水溶液中的六水氯化镁的体积摩尔浓度为0.5mol/L。
然后，如步骤S3所述，在常压及25℃的工作温度下，调节直流电供应器的电解电压，达到10毫安/平方厘米(mA/cm2)的电流密度，在该铁制阳极14与阴极15之间1小时，在该阴极室113内获得含有金属镁的无水有机电解液以及在该阳极室112中获得浓缩的二氯化铁水溶液；之后，分离该含金属镁的无水有机电解液，得到金属镁与经分离的无水有机电解液；其中，在1平方米膜面积的条件下，金属镁的产量为38.54克，且该浓缩的二氯化铁水溶液中的二氯化铁与该二氯化铁水溶液中的二氯化铁的含量差为200.06克，即，本实施例的制备金属镁的方法可产出200.06克的二氯化铁。
当电解电压施加于该铁制阳极14与阴极15之间时，铁制阳极14被氧化而在阳极室内的二氯化铁水溶液中产生铁离子(Fe2+)，且六水氯化镁水溶液的氯离子(Cl-)经由阴离子交换膜13迁移至阳极室112内的二氯化铁水溶液中；同时，原料室111内的六水氯化镁水溶液的镁离子(Mg2+)经由阳离子交换膜12迁移至阴极室113内，并在无水有机电解液中通过阴极15获取2个电子被还原成镁金属，所述2个电子为铁制阳极14被氧化成铁离子(Fe2+)时释放的2个电子。阴极15与铁制阳极14的反应式如下：
阴极：Mg2﹢+2e﹣→Mg(s)
铁制阳极：Fe(s)-2e﹣→Fe2﹢ (aq)
Fe2﹢ (aq)+2Cl﹣ (aq)→FeCl2(aq)
所述制备金属镁的方法所制得的金属镁的实际量为38.54克，且所述制备金属镁的方法所产出的二氯化铁为200.06克。而经理论计算，上述方法在2伏特的电解电压、10毫安/平方厘米的电流密度及1小时的工作时间及1平方米膜面积的条件下，所制得的金属镁的理论质量为45.35克，产出的二氯化铁为236克。由此可推知，所述制备金属镁的方法的电流效率为85％。
再者，由所述制备金属镁的方法所制得的金属镁的实际量为38.54克及电解电压为2伏特计算，可得知所述制备金属镁的方法每产出1千克的镁金属的耗电量为5.19千瓦(kW)，同时产出5.2千克的二氯化铁。
据此，所述制备金属镁的方法每制得1千克的金属镁时，所述制备金属镁的方法还可令该浓缩的二氯化铁水溶液含有多于该二氯化铁水溶液5.2千克的二氯化铁含量。
由上述可知，通过该含有铁制阳极14的离子膜电解系统10的使用，配合该无水有机电解液、六水氯化镁水溶液及二氯化铁水溶液的使用，在施加电解电压于该铁制阳极14与阴极15之间后，前述实施例制备金属镁的方法仅需使用5.19千瓦的能量即能获得1千克的金属镁及该浓缩的二氯化铁水溶液，因此能节省能源及成本。且所述制备金属镁的方法在产出金属镁的同时还产生该浓缩的二氯化铁水溶液，并非大量产生如氯气或二氧化碳等不利环境的气体，除了能降低对环境的危害外，该浓缩的二氯化铁水溶液中的二氯化铁还能进一步加工制为三氯化铁，可作为污水处理的絮凝剂使用。
此外，所述制备金属镁的方法可适用于常压的工作压力、20℃至25℃的工作温度、10毫安/平方厘米至25毫安/平方厘米的电流密度及2伏特至5伏特的电解电压，无需另外调控工作压力及工作温度，因此，所述制备金属镁的方法具有节省能源的优点。

Claims (12)

1.一种制备金属镁的方法，其步骤包含：
提供离子膜电解系统，所述离子膜电解系统包含有原料室、阳极室、阴极室、阳离子交换膜、阴离子交换膜、铁制阳极及阴极，所述阴离子交换膜位于所述原料室与所述阳极室之间，所述阳离子交换膜位于所述原料室与所述阴极室之间，所述铁制阳极与所述阴极分别设在所述阳极室及所述阴极室中；
将无水有机电解液、六水氯化镁水溶液及二氯化铁水溶液分别注入所述阴极室、所述原料室及所述阳极室中；以及
施加电解电压于所述铁制阳极与所述阴极之间，获得金属镁及浓缩的二氯化铁水溶液。
2.如权利要求1所述的制备金属镁的方法，其中，以所述离子膜电解系统的铁制阳极的整体为基准，所述铁制阳极至少含有99.95重量百分比的铁。
3.如权利要求1所述的制备金属镁的方法，其中，所述离子膜电解系统的阴极由不锈钢、玻璃碳或碳气凝胶制成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的制备金属镁的方法，其中，所述无水有机电解液包含有溶剂、有机镁化合物电解质及支持电解质，所述溶剂包含选自于由乙醚、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及环戊甲基醚所构成的群组中的醚类化合物，所述有机镁化合物电解质包含选自于由甲基氯化镁、乙基氯化镁、苯基氯化镁、溴化烷氧基镁及氯化烷氧基镁所构成的群组中的镁有机化合物，所述支持电解质包含氯化铝或高氯酸锂。
5.如权利要求4所述的制备金属镁的方法，其中，以所述无水有机电解液的总量为基准，所述有机镁化合物电解质为0.8mol/L至2.0mol/L。
6.如权利要求5所述的制备金属镁的方法，其中，以所述无水有机电解液的总量为基准，所述支持电解质为0.10mol/L至0.20mol/L。
7.如权利要求1至3中任一项所述的制备金属镁的方法，其中，以所述二氯化铁水溶液的总量为基准，所述二氯化铁水溶液中所含有的二氯化铁为0.3mol/L至0.5mol/L。
8.如权利要求1至3中任一项所述的制备金属镁的方法，其中，以所述六水氯化镁水溶液的总量为基准，所述六水氯化镁水溶液中所含有的六水氯化镁为0.3mol/L至0.5mol/L。
9.如权利要求1至3中任一项所述的制备金属镁的方法，其中，所述阳离子交换膜为全氟磺酸阳离子交换膜。
10.如权利要求9所述的制备金属镁的方法，其中，所述阳离子交换膜上涂覆有镁离子可传导的固体聚合物电解质。
11.如权利要求1至3中任一项所述的制备金属镁的方法，其中，所述阴离子交换膜为均相阴离子交换膜。
12.如权利要求1至3中任一项所述的制备金属镁的方法，其中，施加所述电解电压于所述纯铁制阳极与阴极之间，获得所述金属镁及所述浓缩的二氯化铁水溶液的步骤包含有：
在常压及20℃至25℃的工作温度下，施加10毫安/平方厘米至25毫安/平方厘米、2伏特至5伏特的电解电压于所述纯铁制阳极与阴极之间，获得所述金属镁及所述浓缩的二氯化铁水溶液。
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